Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp và đô thị hóa, nước thải ô nhiễm đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng cần được xử lý kịp thời. Đặc biệt, các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải không chỉ gây ô nhiễm mà còn ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Trước tình hình đó, biến đổi sinh hóa đã nổi lên như một phương pháp xử lý hiệu quả, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, từ đó tạo ra nguồn nước sạch và giảm thiểu chi phí xử lý.

Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về ứng dụng của quá trình biến đổi sinh hóa trong xử lý nước thải, phân tích nguyên lý hoạt động, ứng dụng của hai quá trình chính: hiếu khí và kỵ khí, cùng những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.
 

1. Biến đổi sinh hóa và nguyên lý hoạt động

Biến đổi sinh hóa là quá trình sử dụng vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Các vi sinh vật, khi được cung cấp điều kiện thuận lợi, sẽ tiêu thụ các chất hữu cơ này như nguồn dinh dưỡng và chuyển hóa chúng thành năng lượng, CO₂, CH₄ (methane), và sinh khối mới. Trong đó:

• CO₂: Là sản phẩm của quá trình oxi hóa cacbon trong điều kiện hiếu khí, sẽ thoát ra ngoài môi trường.
• Sinh khối vi sinh vật: Phần cacbon còn lại sau quá trình tiêu hóa sẽ được chuyển hóa thành sinh khối, từ đó được lắng và loại bỏ trong hệ thống xử lý.

Quá trình sinh hóa không chỉ giúp loại bỏ các chất ô nhiễm mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ chất hữu cơ thành sản phẩm có thể tái sử dụng. Đặc biệt, biến đổi sinh hóa thích hợp để xử lý nước thải với nồng độ COD cao, giảm thiểu các tác động tiêu cực đối với môi trường.

2. Quá trình vi sinh hiếu khí trong xử lý nước thải

2.1 Nguyên lý hoạt động

Trong quá trình hiếu khí, các vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Oxy đóng vai trò là chất oxi hóa, giúp chuyển hóa cacbon trong các hợp chất hữu cơ thành CO₂ và sinh khối mới. Quá trình này đặc biệt thích hợp cho các loại nước thải có nồng độ COD từ 50 - 4000 mg/l, như nước thải từ nhà máy chế biến thực phẩm, nhà máy giấy, và nước thải sinh hoạt.

2.2 Ứng dụng của quá trình hiếu khí

Quá trình vi sinh hiếu khí thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học như bể Aerotank, bể lọc sinh học, và hệ thống xử lý bùn hoạt tính. Các hệ thống này đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy cho vi sinh vật hoạt động hiệu quả.

Một số hệ thống cụ thể bao gồm:

• Bể Aerotank: Nước thải được sục khí để cung cấp oxy cho vi sinh vật. Vi sinh vật trong bể tiêu thụ chất hữu cơ, chuyển hóa chúng thành CO₂ và sinh khối, sau đó lắng xuống đáy bể.
• Hệ thống bùn hoạt tính: Sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ. Sinh khối vi sinh sau khi phân hủy sẽ được loại bỏ trong quá trình lắng và tách bùn.

2.3 Lợi ích của quá trình vi sinh hiếu khí

• Loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ hòa tan: Các chất như protein, lipid, và carbohydrate trong nước thải được vi sinh vật chuyển hóa thành các sản phẩm không độc hại.
• Tối ưu hóa năng lượng: Việc cung cấp oxy không yêu cầu quá nhiều năng lượng, giúp giảm chi phí vận hành.
• Giảm thiểu tác động môi trường: Sản phẩm phụ CO₂ thải ra ngoài môi trường không gây ô nhiễm nghiêm trọng so với các khí khác như CH₄.

3. Ứng dụng của công nghệ kỵ khí trong xử lý nước thải

3.1 Nguyên lý hoạt động

Quá trình kỵ khí là quá trình vi sinh phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, thay vào đó, chúng sử dụng các chất nhận điện tử khác như nitrat hoặc sulfat. Kết quả của quá trình này là sự hình thành của CH₄ (methane), một nguồn năng lượng tiềm năng có thể tái sử dụng. Công nghệ kỵ khí đặc biệt hiệu quả khi xử lý nước thải có nồng độ COD cao (lên tới 50.000 mg/l).

3.2 Các loại hệ thống kỵ khí phổ biến

• Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Nước thải chảy ngược từ dưới lên qua một lớp bùn kỵ khí. Vi sinh vật kỵ khí trong bùn sẽ phân hủy chất hữu cơ, sản sinh CH₄.
• Bể lọc kỵ khí: Vi sinh vật bám trên bề mặt vật liệu lọc (thường là than hoạt tính hoặc vật liệu nhựa) để xử lý chất hữu cơ trong nước thải.

3.3 Ưu điểm của quá trình kỵ khí

• Tiết kiệm chi phí: Không cần cung cấp oxy, giúp giảm chi phí năng lượng so với quá trình hiếu khí.
• Tạo ra năng lượng tái tạo: CH₄ sinh ra có thể được thu hồi và sử dụng như một nguồn năng lượng, giúp tối ưu hóa chi phí vận hành.
• Giảm lượng sinh khối: Quá trình kỵ khí tạo ra ít sinh khối hơn, từ đó giảm chi phí xử lý và quản lý bùn thải.

3.4 Ứng dụng thực tiễn

Công nghệ kỵ khí thường được ứng dụng trong các ngành sản xuất như:

• Công nghiệp giấy: Nước thải từ quá trình sản xuất giấy có nồng độ COD cao, phù hợp với xử lý kỵ khí.
• Chế biến thực phẩm: Các nhà máy chế biến thịt, dầu ăn và bia sử dụng kỵ khí để xử lý nước thải chứa nhiều chất hữu cơ.

4. Quá trình ổn định chất hữu cơ không tan

Trong nước thải, ngoài các chất hữu cơ hòa tan, còn có các hạt keo lơ lửng và chất hữu cơ không tan mà quá trình lắng không thể loại bỏ hoàn toàn. Những hạt này nếu không được xử lý sẽ gây ra ô nhiễm và ảnh hưởng đến chất lượng nước. Quá trình ổn định chất hữu cơ không tan là việc sử dụng vi sinh vật để bám lên bề mặt các hạt keo này, sau đó chuyển hóa chúng thành các sản phẩm ổn định, khó phân hủy sinh học.

Vai trò của quá trình ổn định

• Loại bỏ các hạt keo và chất hữu cơ lơ lửng: Giúp nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải.
• Giảm lượng bùn thải: Ổn định chất hữu cơ giúp giảm lượng bùn cần phải xử lý tiếp theo.

5. Yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả biến đổi sinh hóa

Một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình biến đổi sinh hóa bao gồm:

• Nồng độ COD: Nồng độ COD cao đòi hỏi quá trình kỵ khí để xử lý hiệu quả.
• Oxy hòa tan: Đối với quá trình hiếu khí, việc duy trì nồng độ oxy hòa tan đủ cao là yếu tố quan trọng.
• Thời gian lưu nước: Quá trình sinh hóa yêu cầu thời gian đủ lâu để vi sinh vật có thể phân hủy hết chất hữu cơ.

Biến đổi sinh hóa trong xử lý nước thải là một trong những công nghệ tiên tiến và hiệu quả nhất, giúp loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan cũng như các hạt keo không tan. Với khả năng thích ứng linh hoạt, cả quá trình hiếu khí và kỵ khí đều có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Việc sử dụng biến đổi sinh hóa không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn góp phần tạo ra các sản phẩm tái sử dụng, tối ưu hóa chi phí vận hành.